康寧光通信：長(cháng)距離量子保密通信的關(guān)鍵 — 超低損耗光纖

  ICCSZ訊 隨著(zhù)信息技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )通信的安全問(wèn)題日益顯著(zhù)。計算機的算力不斷提升，傳統的加密方法面臨巨大的風(fēng)險，在量子計算機的破譯之下將不堪一擊。由此，科學(xué)家便基于量子力學(xué)和密碼學(xué)開(kāi)發(fā)出來(lái)量子密鑰分發(fā)技術(shù)(Quantum Key Distribution，QKD)，稱(chēng)為量子保密通信，為信息安全提供了強有力的保障。

  量子保密通信的原理是利用量子態(tài)的不可測量和不可復制性，在通信線(xiàn)路的兩端用量子密鑰對信息加密，信息如果被截獲或者復制，原有的量子態(tài)會(huì )被破壞，從而使傳輸方知道竊聽(tīng)者的存在，所以量子通信也被稱(chēng)為完全安全的數據傳輸方案。

  然而，量子保密技術(shù)，在超長(cháng)距離通信時(shí)，卻面臨諸多挑戰。量子態(tài)的單光子不可分割、不可復制，不能像傳統通信那樣進(jìn)行復制放大，極大限制了光纖中的量子密鑰分發(fā)距離。因此以單光子技術(shù)為基礎的量子保密通信，傳輸距離很大程度上取決于線(xiàn)路中的損耗，更低衰減的光纖是延長(cháng)傳輸距離的有效方式。

  因此，超低損耗光纖在量子通信中的應用將變得至關(guān)重要。

      那么，什么是超低損耗光纖?

  光纖的損耗主要來(lái)自于纖芯材料的瑞利散射損耗和吸收損耗。 傳統光纖在制造時(shí)需在纖芯中摻雜來(lái)提高纖芯的折射率，但卻會(huì )導致較高的瑞利散射和光纖衰減。 而超低損耗光纖在纖芯中使用純二氧化硅，包層摻雜降低折射率，這樣既減小了纖芯瑞利散射帶來(lái)的衰減，又可實(shí)現信號光全反射的傳輸 。

圖1 為常規摻鍺纖芯光纖和純硅纖芯光纖的折射率分布示意。

      使用純硅芯技術(shù)實(shí)現了光纖衰減的降低， 如康寧公司 SMF-28® ULL(Ultra LowLoss，超低損耗)純硅芯光纖，1550nm處的衰減可以降低至0.16 dB/km(常規光纖為0.20 dB/km)。

  超低損耗光纖在量子通信中的應用

  對于量子通信來(lái)說(shuō)， 增加安全通信距離、提高安全成碼率和提高系統的安全性，是實(shí)用性量子密鑰分發(fā)技術(shù)最重要的3個(gè)目標。那么超低損耗光纖在這幾個(gè)方面表現如何呢?

  1) 增加安全通行距離

  對于長(cháng)距離廣域的量子密鑰分發(fā)，需分成 2個(gè)步驟實(shí)現，首先通過(guò)光纖實(shí)現百千米的量子城域網(wǎng)絡(luò ); 然后通過(guò)可信中繼器實(shí)現量子城際網(wǎng)絡(luò )。 我國這一領(lǐng)域的應用也同樣走在世界前列，2017 年開(kāi)通的京滬量子干線(xiàn)，全長(cháng)為 2 000 km，共使用 32 個(gè)可信任中繼站，每 2 個(gè)中繼站之間的平均距離為 62.5 km。而如果采用超低損耗光纖，能夠提升每個(gè)中繼站之間的距離，理論上需要的可信中繼站更少 ( 如圖 3 所示 )。中繼站數量的減少一方面可以減少設備的投入; 另一方面也減少了整個(gè)鏈路的潛在安全隱患(可信任中繼站是量子保密技術(shù)中安全較為薄弱的環(huán)節)，提高了鏈路的整體安全性能。

  2) 增加成碼率

  量子通信的密鑰生成速率即成碼率是衡量 QKD系統性能優(yōu)劣的重要指標，高的成碼率可以加密更多的數據，形成更復雜的加密體系，而且只有到達一定速率的量子秘鑰分發(fā)才具有商用價(jià)值。 成碼率會(huì )隨著(zhù)距離增加而呈指數衰減。 超低損耗光纖在同樣的傳輸距離內的衰減更低(見(jiàn)圖 5)，因此在系統配置相同的情況下能夠提供更高的成碼率。如 100 km 的距離，采用超低損耗光纖比普通光纖的鏈路衰減低 3 dB 左右，顯著(zhù)提高了系統密鑰成碼率。

  3) 推動(dòng)經(jīng)典信號與光纖的共纖傳輸的商業(yè)化

  基于單光子技術(shù)的量子密鑰分發(fā)系統中，量子信道和經(jīng)典信道分別從不同的光纖獨立傳輸。 這是因為量子信道信號強度比經(jīng)典通信信號的強度小很多，如果量子信道和經(jīng)典信通同時(shí)傳輸，經(jīng)典信道的強信號產(chǎn)生一系列非線(xiàn)性效應嚴重影響 QKD 系統的傳輸效果，如信道串擾、拉曼散射、自發(fā)輻射。 而量子通信與經(jīng)典光傳輸系統如果能實(shí)現共纖傳輸，能夠大大降低量子保密通信網(wǎng)絡(luò )建設成本，有利于量子保密通信的實(shí)用與推廣。

  目前國外的歐洲東芝歐洲實(shí)驗室、瑞士日內瓦大學(xué)、西班牙馬德里大學(xué)等均開(kāi)展了相關(guān)研究，實(shí)現了千兆光通信、10 G 波分系統和 QKD 量子信道復用光纖的實(shí)驗。 國內，中國電信和科大國盾合作開(kāi)展了相關(guān)研究，完成了百兆、千兆光通信以及波分系統等和 QKD 量子信道共用光纖的試驗 ，該實(shí)驗是全球首個(gè)商用量子密鑰分發(fā)系統與商用 8 Tbps(80×100 Gbps) 大容量密集波分復用系統共纖超長(cháng)距傳輸試驗， 在超低損耗光纖上實(shí)現了 100 km 以上單跨傳輸。

  因此，經(jīng)過(guò)多個(gè)研究機構對超低損耗光纖的實(shí)驗測試與實(shí)踐檢驗，超低損耗光纖在增加安全通信距離、提高安全成碼率和提高系統的安全性都具有明顯優(yōu)勢，必將推動(dòng)量子計算和量子保密通信領(lǐng)域的快速發(fā)展，并在量子計算的時(shí)代扮演重要的網(wǎng)絡(luò )基礎設施。

      來(lái)源：康寧光通信中國 市場(chǎng)部